I århundraden, astronomer har letat bortom vårt solsystem för att lära sig mer om Vintergatans galax. Och ändå, det finns fortfarande många saker med det som undviker oss, som att veta dess exakta massa. Att fastställa detta är viktigt för att förstå historien om galaxbildningen och utvecklingen av vårt universum. Som sådan, astronomer har försökt med olika tekniker för att mäta Vintergatans verkliga massa.

Än så länge, ingen av dessa metoder har varit särskilt framgångsrik. Dock, en ny studie av ett team av forskare från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics föreslog ett nytt och intressant sätt att bestämma hur mycket massa som finns i Vintergatan. Genom att använda hypervelocity-stjärnor (HVS) som har kastats ut från galaxens centrum som referenspunkt, de hävdar att vi kan begränsa massan av vår galax.

Deras studie, med titeln "Constraining Milky Way Mass with Hypervelocity Stars", publicerades nyligen i tidskriften Astronomi och astrofysik . Studien producerades av Dr Giacomo Fragione, en astrofysiker vid universitetet i Rom, och professor Abraham Loeb – Frank B. Baird, Jr. professor i naturvetenskap, ordföranden för astronomiavdelningen, och direktören för Institutet för teori och beräkning vid Harvard University.

För att vara tydlig, att bestämma massan av Vintergatans galax är ingen enkel uppgift. Å ena sidan, observationer är svåra eftersom solsystemet ligger djupt inuti själva galaxens skiva. Men samtidigt, det finns också massan av vår galaxs mörka materia-halo, vilket är svårt att mäta eftersom det inte är "lysande", och därför osynlig för konventionella metoder för detektion.

Aktuella uppskattningar av galaxens totala massa är baserade på rörelserna hos tidvattenströmmar av gas och klothopar, som båda påverkas av galaxens gravitationsmassa. Men hittills, dessa mätningar har producerat massuppskattningar som sträcker sig från en till flera biljoner solmassor. Som professor Loeb förklarade för Universe Today via e-post, att exakt mäta Vintergatans massa är av stor betydelse för astronomer:

"Vintergatan tillhandahåller ett laboratorium för att testa den vanliga kosmologiska modellen. Denna modell förutsäger att antalet satellitgalaxer i Vintergatan beror känsligt på dess massa. När man jämför förutsägelserna med räkningen av kända satellitgalaxer, det är viktigt att känna till Vintergatans massa. Dessutom, den totala massan kalibrerar mängden osynlig (mörk) materia och ställer in gravitationspotentialens djup väl och antyder hur snabbt stjärnor ska röra sig för att de ska fly till det intergalaktiska rymden."

För deras studiers skull, Prof. Loeb och Dr. Fragione valde därför att ta ett nytt tillvägagångssätt, som involverade modellering av HVSs rörelser för att bestämma massan av vår galax. Mer än 20 HVS har upptäckts i vår galax hittills, som färdas med hastigheter på upp till 700 km/s (435 mi/s) och är belägna på avstånd på cirka 100 till 50, 000 ljusår från det galaktiska centrumet.

Dessa stjärnor tros ha kastats ut från mitten av vår galax tack vare samspelet mellan dubbelstjärnor och det supermassiva svarta hålet (SMBH) i mitten av vår galax – aka. Skytten A*. Även om deras exakta orsak fortfarande är föremål för debatt, banorna för HVS kan beräknas eftersom de helt bestäms av galaxens gravitationsfält.

Som de förklarar i sin studie, forskarna använde asymmetrin i den radiella hastighetsfördelningen av stjärnor i den galaktiska halo för att bestämma galaxens gravitationspotential. Hastigheten för dessa halostjärnor är beroende av den potentiella flykthastigheten för HVS, förutsatt att tiden det tar för HVS att fullborda en enda omloppsbana är kortare än livslängden för halostjärnorna.

Från detta, de kunde skilja mellan olika modeller för Vintergatan och den gravitationskraft den utövar. Genom att anta den nominella restiden för dessa observerade HVS – som de beräknade till cirka 330 miljoner år, ungefär samma som den genomsnittliga livslängden för halostjärnor – de kunde härleda gravitationsuppskattningar för Vintergatan vilket möjliggjorde uppskattningar av dess totala massa.

"Genom att kalibrera minimihastigheten för obundna stjärnor, vi finner att Vintergatans massa ligger i intervallet 1,2-1,9 biljoner solmassor, " sa Loeb. Medan den fortfarande är föremål för en räckvidd, denna senaste uppskattning är en betydande förbättring jämfört med tidigare uppskattningar. Vad mer, dessa uppskattningar överensstämmer med våra nuvarande kosmologiska modeller som försöker redogöra för all synlig materia i universum, samt mörk materia och mörk energi – Lambda-CDM-modellen.

"Den antagna Vintergatans massa ligger i det intervall som förväntas inom den vanliga kosmologiska modellen, sa Leob, "där mängden mörk materia är ungefär fem gånger större än den för vanlig (ljusande) materia."

Baserat på denna uppdelning, man kan säga att normal materia i vår galax – d.v.s. stjärnor, planeter, damm och gas – står för mellan 240 och 380 miljarder solmassor. Så inte bara ger denna senaste studie mer exakta massbegränsningar för vår galax, det kan också hjälpa oss att avgöra exakt hur många stjärnsystem som finns där ute – nuvarande uppskattningar säger att Vintergatan har mellan 200 och 400 miljarder stjärnor och 100 miljarder planeter.

Bortom det, denna studie är också betydelsefull för studiet av kosmisk bildning och evolution. Genom att göra mer exakta uppskattningar av vår galax massa, sådana som är förenliga med den nuvarande nedbrytningen av normal materia och mörk materia, kosmologer kommer att kunna konstruera mer exakta redogörelser för hur vårt universum kom till. Ett steg närmare att förstå universum på den största skalan!